Não muito tempo atrás, os físicos mostraram os primeiros resultados da missão QUESS e o satélite Mozi lançado em órbita dentro de sua estrutura, proporcionando uma separação recorde de fótons quânticos emaranhados a uma distância de mais de 1200 km. No futuro, isso pode levar à criação de uma linha de comunicação quântica entre Pequim e a Europa.
O mundo ao redor é grande e diverso - tão diverso que aparecem leis em algumas escalas que são completamente impensáveis para outras. As leis da política e da Beatlemania não seguem de forma alguma a estrutura do átomo - sua descrição requer suas próprias "fórmulas" e seus próprios princípios. É difícil imaginar que uma maçã - um objeto macroscópico cujo comportamento geralmente segue as leis da mecânica newtoniana - pegou e desapareceu, fundiu-se com outra maçã, transformando-se em um abacaxi. No entanto, são exatamente esses fenômenos paradoxais que se manifestam no nível das partículas elementares. Tendo aprendido que esta maçã é vermelha, é improvável que nos tornemos verde outra, localizada em algum lugar da órbita. Enquanto isso, é assim que funciona o fenômeno do emaranhamento quântico, e é exatamente isso que demonstraram os físicos chineses, com cujo trabalho iniciamos nossa conversa. Vamos tentar descobriro que é e como pode ajudar a humanidade.
Bohr, Einstein e outros
O mundo ao redor é local - em outras palavras, para que algum objeto distante mude, ele deve interagir com outro objeto. Além disso, nenhuma interação pode se propagar mais rápido do que a luz: isso torna a realidade física local. Uma maçã não pode dar um tapa na cabeça de Newton sem alcançá-lo fisicamente. Uma explosão solar não pode afetar instantaneamente a operação dos satélites: partículas carregadas terão que cobrir a distância até a Terra e interagir com a eletrônica e as partículas atmosféricas. Mas no mundo quântico, a localidade é violada.
O mais famoso dos paradoxos do mundo das partículas elementares é o princípio da incerteza de Heisenberg, segundo o qual é impossível determinar com precisão o valor de ambas as características de "par" de um sistema quântico. Posição no espaço (coordenada) ou velocidade e direção do movimento (impulso), corrente ou voltagem, a magnitude do componente elétrico ou magnético do campo - todos esses são parâmetros "complementares", e quanto mais precisamente medimos um deles, menos certo o segundo se tornará.
Era uma vez o princípio da incerteza que causou o mal-entendido de Einstein e sua famosa objeção cética: "Deus não joga dados". No entanto, parece que está jogando: todos os experimentos conhecidos, observações indiretas e diretas e cálculos indicam que o princípio da incerteza é uma consequência da indeterminação fundamental de nosso mundo. E novamente chegamos a uma discrepância entre as escalas e níveis de realidade: onde existimos, tudo é certo: se você abrir os dedos e soltar a maçã, ela cairá, atraída pela gravidade da Terra. Mas em um nível mais profundo, simplesmente não há causas e efeitos, mas há apenas uma dança de probabilidades.
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O paradoxo do estado quântico emaranhado das partículas reside no fato de que o "golpe na cabeça" pode ocorrer exatamente ao mesmo tempo que a separação da maçã do galho. O emaranhamento não é local, e mudar um objeto em um lugar instantaneamente - e sem nenhuma interação óbvia - muda outro objeto inteiramente em outro. Teoricamente, podemos carregar uma das partículas emaranhadas pelo menos até a outra extremidade do Universo, mas de qualquer forma, se “tocarmos” seu parceiro, que permaneceu na Terra, a segunda partícula responderá instantaneamente. Não era fácil para Einstein acreditar nisso, e sua discussão com Niels Bohr e colegas do "campo" da mecânica quântica tornou-se um dos assuntos mais fascinantes da história moderna da ciência. "A realidade é certa", como diriam Einstein e seus apoiadores, "apenas nossos modelos, equações e ferramentas são imperfeitos". “Os modelos podem ser qualquer coisa,mas a própria realidade na base do nosso mundo nunca foi completamente determinada”, objetaram os adeptos da mecânica quântica.
Opondo-se a seus paradoxos, em 1935 Einstein, junto com Boris Podolsky e Nathan Rosen, formulou seu próprio paradoxo. “Tudo bem”, eles raciocinaram, “digamos que seja impossível descobrir a coordenada e o momento de uma partícula ao mesmo tempo. Mas e se tivermos duas partículas de origem comum, cujos estados são idênticos? Então podemos medir o momento de um, o que nos dará indiretamente informações sobre o momento do outro, e a coordenada do outro, que nos dará o conhecimento da coordenada do primeiro. Essas partículas eram uma construção puramente especulativa, um experimento mental - talvez seja por isso que Niels Bohr (ou melhor, seus seguidores) conseguiram encontrar uma resposta decente apenas 30 anos depois.
Talvez o primeiro espectro de paradoxos da mecânica quântica tenha sido observado por Heinrich Hertz, que notou que se os eletrodos de abertura de centelha fossem iluminados com luz ultravioleta, a passagem da centelha era visivelmente mais fácil. Os experimentos de Stoletov, Thomson e outros grandes físicos permitiram entender que isso ocorre devido ao fato de que, sob a influência da radiação, a matéria emite elétrons. No entanto, isso é completamente diferente do que a lógica sugere; por exemplo, a energia dos elétrons liberados não será maior se aumentarmos a intensidade da radiação, mas aumentará se diminuirmos sua frequência. Aumentando essa frequência, chegamos à fronteira, além da qual a substância não exibe nenhum fotoefeito - esse nível é diferente para substâncias diferentes.
Einstein conseguiu explicar esses fenômenos, pelos quais recebeu o Prêmio Nobel. Eles estão relacionados com a quantização da energia - com o fato de que ela pode ser transmitida apenas por certas "microporções", quanta. Cada fóton de radiação carrega uma certa energia e, se for o suficiente, o elétron do átomo que o absorveu voará para a liberdade. A energia dos fótons é inversamente proporcional ao comprimento de onda e, quando o limite do efeito fotoelétrico é atingido, não é mais suficiente nem mesmo para transmitir ao elétron a energia mínima necessária para a liberação. Hoje, esse fenômeno é encontrado em todos os lugares - na forma de painéis solares, cujas fotocélulas funcionam exatamente com base nesse efeito.
Experimentos, interpretações, misticismo
Em meados da década de 1960, John Bell se interessou pelo problema da não localidade na mecânica quântica. Ele conseguiu oferecer uma base matemática para um experimento totalmente viável, que deveria terminar com um dos resultados alternativos. O primeiro resultado "funcionou" se o princípio da localidade for realmente violado, o segundo - se, afinal, sempre funcionar e tivermos que buscar alguma outra teoria para descrever o mundo das partículas. Já no início dos anos 1970, esses experimentos foram realizados por Stuart Friedman e John Clauser e, em seguida, por Alain Aspan. Para simplificar, a tarefa era criar pares de fótons emaranhados e medir seus spins, um por um. As observações estatísticas mostraram que os spins não são livres, mas sim correlacionados entre si. Esses experimentos foram realizados quase continuamente desde então,cada vez mais preciso e perfeito - e o resultado é o mesmo.
Deve-se acrescentar que o mecanismo que explica o emaranhamento quântico ainda não está claro, há apenas um fenômeno - e diferentes interpretações dão suas explicações. Assim, na interpretação de muitos mundos da mecânica quântica, as partículas emaranhadas são apenas projeções dos estados possíveis de uma única partícula em outros universos paralelos. Na interpretação transacional, essas partículas estão ligadas por ondas estacionárias de tempo. Para os "místicos quânticos", o fenômeno do emaranhamento é mais uma razão para considerar a base paradoxal do mundo como uma forma de explicar tudo o que é incompreensível, desde as próprias partículas elementares até a consciência humana. Os místicos podem entender: se você pensar bem, as consequências são estonteantes.
O experimento simples de Clauser-Friedman indica que a localidade do mundo físico na escala das partículas elementares pode ser violada, e a própria base da realidade acaba sendo - para o horror de Einstein - vaga e indefinida. Isso não significa que a interação ou informação pode ser transmitida instantaneamente, à custa de emaranhamento. A separação das partículas emaranhadas no espaço ocorre em velocidade normal, os resultados da medição são aleatórios e, até que possamos medir uma partícula, a segunda não conterá nenhuma informação sobre o resultado futuro. Do ponto de vista do receptor da segunda partícula, o resultado é completamente aleatório. Por que tudo isso nos interessa?
Como emaranhar partículas: pegue um cristal com propriedades ópticas não lineares - isto é, aquele cuja interação da luz depende da intensidade dessa luz. Por exemplo, triborato de lítio, beta borato de bário, niobato de potássio. Irradie-o com um laser de comprimento de onda adequado e fótons de alta energia da radiação laser às vezes se decompõem em pares de fótons emaranhados de baixa energia (esse fenômeno é chamado de "espalhamento paramétrico espontâneo") e polarizados em planos perpendiculares. Tudo o que resta é manter as partículas emaranhadas intactas e espalhá-las o mais longe possível.
Parece que deixamos cair a maçã ao falar sobre o princípio da incerteza? Levante-o e jogue-o contra a parede - é claro, ele vai quebrar, porque no macrocosmo outro paradoxo da mecânica quântica - o tunelamento - não funciona. Durante o tunelamento, uma partícula é capaz de superar uma barreira de energia maior do que sua própria energia. A analogia com uma maçã e uma parede é, obviamente, muito aproximada, mas clara: o efeito de túnel permite que os fótons penetrem no meio refletor e os elétrons "ignorem" a fina película de óxido de alumínio que cobre os fios e é na verdade um dielétrico.
Nossa lógica cotidiana e as leis da física clássica não são muito aplicáveis aos paradoxos quânticos, mas ainda funcionam e são amplamente utilizadas em tecnologia. Os físicos parecem ter decidido (temporariamente): mesmo que ainda não saibamos totalmente como funciona, os benefícios podem ser derivados disso já hoje. O efeito de tunelamento é a base da operação de alguns microchips modernos - na forma de diodos e transistores túnel, junções de túnel, etc. E, é claro, não devemos nos esquecer dos microscópios de tunelamento de varredura, nos quais o tunelamento de partículas fornece a observação de moléculas e átomos individuais - e até mesmo a manipulação por eles.
Comunicação, teletransporte e satélite
Na verdade, vamos imaginar que temos duas maçãs “emaranhadas quânticas”: se a primeira maçã acabar sendo vermelha, então a segunda é necessariamente verde e vice-versa. Podemos enviar um de Petersburgo a Moscou, mantendo seu estado de confusão, mas isso parece ser tudo. Somente quando em São Petersburgo uma maçã for medida como vermelha, a segunda ficará verde em Moscou. Até o momento da medição, não há possibilidade de prever o estado da maçã, porque (todos os mesmos paradoxos!) Eles não têm o estado mais definido. Qual é a utilidade desse emaranhamento?.. E o sentido foi encontrado já na década de 2000, quando Andrew Jordan e Alexander Korotkov, apoiando-se nas ideias dos físicos soviéticos, encontraram uma forma de medir, por assim dizer, "não até o fim" e, portanto, fixar os estados das partículas.
Usando "medições quânticas fracas", você pode, por assim dizer, olhar para uma maçã com metade de um olho, tendo um vislumbre, tentando adivinhar sua cor. Você pode fazer isso repetidamente, sem realmente olhar para a maçã corretamente, mas com bastante confiança decidir que é, por exemplo, vermelha, o que significa que uma maçã em Moscou que é confundida com ela será verde. Isso permite que partículas emaranhadas sejam usadas continuamente, e os métodos propostos há cerca de 10 anos permitem que elas sejam armazenadas rodando em um círculo por um tempo indefinidamente longo. Resta levar uma das partículas embora - e obter um sistema extremamente útil.
Falando francamente, parece que os benefícios das partículas emaranhadas são muito mais do que comumente se pensa, apenas nossa imaginação, limitada pela mesma escala macroscópica da realidade, não nos permite chegar a aplicações reais para eles. No entanto, as propostas já existentes são bastante fantásticas. Assim, com base nas partículas emaranhadas, é possível organizar um canal de teletransporte quântico, “leitura” completa do estado quântico de um objeto e “registro” em outro, como se o primeiro fosse simplesmente transportado para a distância adequada. As perspectivas da criptografia quântica são mais realistas, cujos algoritmos prometem canais de comunicação quase "inquebráveis": qualquer interferência em seu trabalho afetará o estado das partículas emaranhadas e será imediatamente notado pelo proprietário. É aqui que o experimento chinês QESS (Quantum Experiments at Space Scale) entra em jogo.
Computadores e satélites
O problema é que, na Terra, é difícil criar uma conexão confiável para partículas emaranhadas que estão distantes umas das outras. Mesmo na fibra óptica mais avançada, por meio da qual os fótons são transmitidos, o sinal diminui gradualmente e os requisitos para ele são especialmente elevados aqui. Cientistas chineses até calcularam que se você criar fótons emaranhados e enviá-los em duas direções com ombros de cerca de 600 km mil anos. O espaço é outra questão, no vácuo profundo em que os fótons voam a tal distância sem encontrar quaisquer obstáculos. E então o satélite experimental Mozi ("Mo-Tzu") entra em cena.
Uma fonte (laser e cristal não linear) foi instalada na espaçonave, que a cada segundo produzia vários milhões de pares de fótons emaranhados. De uma distância de 500 a 1700 km, alguns desses fótons foram enviados para o observatório terrestre em Dalinghe, no Tibete, e o segundo para Shenzhen e Lijiang, no sul da China. Como era de se esperar, a principal perda de partículas ocorreu nas camadas mais baixas da atmosfera, mas isso está a apenas cerca de 10 km do caminho de cada feixe de fóton. Como resultado, o canal de partículas emaranhadas cobriu a distância do Tibete ao sul do país - cerca de 1200 km, e em novembro deste ano foi inaugurada uma nova linha, que conecta a província de Anhui, no leste, com a província central de Hubei. Até agora, o canal carece de confiabilidade, mas isso já é uma questão de tecnologia.
Em um futuro próximo, os chineses planejam lançar satélites mais avançados para organizar tais canais e prometem que em breve veremos uma conexão quântica funcional entre Pequim e Bruxelas, na verdade, de um extremo ao outro do continente. Outro paradoxo "impossível" da mecânica quântica promete outro salto na tecnologia.
Sergey Vasiliev
